基于ARM11的塔吊監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王 旭，張自嘉，王慧敏

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044）

塔吊作為現(xiàn)代建筑必備的吊運工具，在工程建筑中作出了巨大的貢獻。但近年來塔吊安全事故頻發(fā)，不但帶來了巨大的經(jīng)濟損失，而且也造成了不少人員傷亡。因此，視頻設(shè)備被應(yīng)用到塔吊監(jiān)控領(lǐng)域。當(dāng)前工地上的視頻監(jiān)控設(shè)備主要是針對遠程監(jiān)測人員使用，而且是基于PC平臺，由于PC體積過大，不適合在狹小的塔吊駕駛室安裝，所以沒有得到廣泛的應(yīng)用。至于對吊鉤距離地面的高度測量問題，目前主要有激光測距和超聲波測距，但是激光測距儀成像速度慢，而且價格比較昂貴。超聲波測距受外界的影響較大，樓層越高，超聲波損失就越嚴重，導(dǎo)致測量誤差較大。隨著嵌入式技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，單目視覺測距為測量吊鉤高度提供了一種有效的解決方案，它不但能進行高度的測量，同時也解決了駕駛員操作時碰到的視覺盲區(qū)問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的是一個采用單目視覺測量塔吊吊鉤高度的視頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)不但能夠?qū)崟r顯示測得的吊鉤距離地面的高度信息，還能顯示視頻圖像信息[1]。系統(tǒng)包含視頻采集端和視頻接收端，采集端安裝在塔吊吊臂的變幅小車上，攝像頭豎直向下安裝，監(jiān)控吊臂下方工地場景，接收端放在駕駛室中供駕駛員查看。兩個終端通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信連接。系統(tǒng)的工作過程是：視頻采集終端通過USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)信息，并通過圖像處理計算出吊鉤距離地面的高度信息，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)揭曨l接收端，并在LCD顯示屏上顯示出實時高度信息以及視頻信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要由視頻采集終端和視頻接收終端兩部分組成。視頻采集終端包括視頻采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、WiFi無線傳輸模塊以及電源模塊；視頻接收終端相對于采集終端去掉了視頻采集模塊，增加了LCD顯示屏以及存儲模塊。采集模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)采集端結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)的基本工作原理是：采集端的USB攝像頭將采集得到的模擬視頻信號通過視頻解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，然后將數(shù)字視頻信號輸入到S3C6410的視頻通道口進行處理[2]，最后通過WiFi無線模塊將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到接收端，并在LCD屏上顯示實時視頻以及檢測到的吊鉤實時高度信息。

2.1 S3C6410微處理器模塊

S3C6410是三星公司設(shè)計的16/32位RISC微處理器，基于 ARM1176JZF-S內(nèi)核，最高主頻可達 667 MHz。具有獨立的Load/Store和8級流水線設(shè)計，采用特殊的設(shè)計改善視頻處理能力，集成了多格式的編解碼器(MFC)，支持MPEG4/H.263/H.264編碼、譯碼以及VC1的解碼，是一個低成本、低功耗、高性能的應(yīng)用處理器，非常適合視頻媒體的應(yīng)用。

2.2 視頻采集模塊

該系統(tǒng)采用OmniVision公司的OV9650芯片作為CMOS數(shù)字圖像傳感器，該芯片向S3C6410提供SCCB和Camera Interface接口，而且內(nèi)部集成了圖像傳感器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。光學(xué)圖像投射到圖像傳感器上，將光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過內(nèi)部的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后經(jīng)過數(shù)字信號處理芯片DSP處理之后通過USB接口傳輸?shù)介_發(fā)板上[3]。OV9650和S3C6410接口的連接線如圖2所示，OV9650的DATA[7：0]與S3C6410的 CAMDATA[7:0]相連，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。OV9650的系統(tǒng)時鐘SCLK與S3C6410的CAMCLK相連，用來解決傳輸數(shù)據(jù)時同步時鐘信號。S3C6410通過I2C總線對OV9650的內(nèi)部寄存器進行讀寫來控制該芯片。

圖2 S3C6410和OV9650連線圖

2.3 WiFi無線傳輸模塊

該設(shè)計需要實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸。雖然通過H.264進行了壓縮處理，但是它的數(shù)據(jù)量依然較大，所以采用WiFi無線寬帶技術(shù)，通信帶寬2 Mb/s、11 Mb/s、54 Mb/s（自適應(yīng)），具有自適應(yīng)能力強、抗干擾能力強等優(yōu)點。本文采用的88W8686是Marvell公司推出的WiFi無線模塊，該模塊完全遵循IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，而且兼容802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它工作在2.4 GHz頻段，最高傳輸速率達54 Mb/s。該無線模塊提供了SPI和SDIO接口，通過SPI或者SDIO接口將傳輸過來的數(shù)據(jù)封裝起來，通過WLAN將信息傳輸給遠程客戶端。系統(tǒng)的88W8686-WiFi無線模塊是雙排插針式接口[4]，它與S3C6410的SDIO接口連接使用，如圖3所示。SDIO總線有兩端，分別為主機（HOST）端和設(shè)備端（DEVICE），由 HOST端發(fā)出命令，然后在DEVICE端解析采用HOST發(fā)出的命令。SDIO接口支持 SPI mode、1 bit mode、4 bit mode三種傳輸模式，該系統(tǒng)采用SPI mode傳輸模式。

圖3 S3C6410與WiFi模塊的接口

3 基于V4L2的視頻采集過程

該系統(tǒng)使用的是Linux-2.6.38的內(nèi)核版本，它支持USB Camera，只要 USB Camera符合 UVC(USB Video Class)標(biāo)準(zhǔn)，USB設(shè)備就可以直接使用。V4L2是Linux內(nèi)核中一種通用的視頻設(shè)備驅(qū)動，它的Video設(shè)備在用戶空間通過調(diào)用各種ioctl對攝像頭進行控制，而且還可以使用mmap進行內(nèi)存的映射。V4L2的操作流程如圖4所示。首先要打開設(shè)備文件，取得設(shè)備的capability，根據(jù)設(shè)備的功能，選擇視頻輸入，設(shè)置視頻的制式和幀格式，并向驅(qū)動申請幀緩沖，將申請到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀。再將申請到的幀緩沖全部入列，以便存放采集到的數(shù)據(jù)。這時就可以開始視頻采集，并出列已采集數(shù)據(jù)的幀緩沖，獲得原始采集數(shù)據(jù)，再將幀緩沖重新入列到隊尾循環(huán)采集視頻數(shù)據(jù)，最后如果停止采集就關(guān)閉視頻。

圖4 V4L2視頻采集流程圖

4 單目視覺測量吊鉤高度

機器視覺測量距離主要有雙目測距、單目測距等。雙目測距由于需要特征點匹配，而實際中這種匹配比較困難，從而影響了它的測量精度和效率。單目測距是指利用單個攝像頭作為視覺傳感器進行距離測量，它要求攝像頭的位置是固定的，如果攝像頭移動，則會有角度的變化，這樣就需要重新標(biāo)定[5]。本文介紹的測距方法就是將攝像頭固定在塔吊駕駛室下方，并向下傾斜一定的角度，這樣有利于檢測吊鉤的高度。這種單目測距方法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、運算速度快等優(yōu)點。

4.1 吊鉤的檢測和定位

塔吊的吊鉤具有顯著的黃顏色特征，所以采用基于顏色的目標(biāo)分割方法實現(xiàn)對吊鉤的快速識別，這種方法處理結(jié)果較準(zhǔn)，而且對光線變化的適應(yīng)性好。對于視頻圖像的處理采用RGB模型，它比較適合于目標(biāo)的識別。

在吊鉤運行過程中，采用二值化操作對吊鉤進行檢測分割，這里采用局部自適應(yīng)閾值的方法。該方法根據(jù)像素鄰塊的像素值分布來確定該像素位置上的二值化閾值[6]。其優(yōu)點在于每個像素位置的二值化閾值不是固定不變的，而是由周圍的鄰域像素分布決定的，亮度較高的區(qū)域二值化閾值較高，亮度低的區(qū)域二值化閾值相應(yīng)地就會較低。這樣對于吊鉤更容易準(zhǔn)確地檢測識別。本設(shè)計采用的自適應(yīng)閾值算法是CV_ADAPTIVE_THRESH_GAUSSIAN_C，即先求出塊中的加權(quán)和(gaussian)，再減掉param1。該設(shè)計中吊鉤的顏色為黃色，而且黃色像素比較稀疏，根據(jù)訓(xùn)練的自適應(yīng)閾值，就可以檢測出吊鉤的邊界，從而準(zhǔn)確識別出吊鉤的位置。

4.2 單目測距改進的算法

單目視覺測距技術(shù)需要從二維圖像信息中獲得三維空間中的位置信息，這就要將三維的場景投影到攝像機二維圖像平面上。所以需要利用幾何關(guān)系來確定被測物體在世界坐標(biāo)中位置點及其在成像點之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，具體可以采用小孔成像原理來模擬兩者之間的投影關(guān)系。這里采用針孔模型測距方法來進行分析[7]，被測物體的特征點在攝像機成像平面上的投影幾何圖像如圖5所示。

圖5 針孔模型測距

Q點作為吊鉤的特征點，q′（x，y）為Q點在成像平面上的投影坐標(biāo)。(x0，y0)是光軸與成像平面的交點O，該交點一般取為(0，0)作為成像平面坐標(biāo)系的原點。α為攝像頭的俯仰角大小，f為攝像頭焦距，h為攝像頭安裝高度，即塔吊的高度。由圖中所示，高度h和攝像頭俯仰角α可以通過測量得到，所以根據(jù)如圖6所示的數(shù)量關(guān)系就可以計算出吊鉤距離塔吊的高度d，計算公式為：

圖像處理所獲得的這些目標(biāo)點是在計算機內(nèi)存中的坐標(biāo)，即幀存坐標(biāo)（u，v），如圖7所示，必須將幀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到成像平面的坐標(biāo)系中才便于計算[8]。圖中O1(u0，v0)為攝像頭光軸與成像平面交點 （x0，y0）的幀存坐標(biāo)，假設(shè)幀存中一個像素對應(yīng)于成像平面在x軸與y軸上的物理尺寸為dx，dy，則有如下的變換關(guān)系：

圖6 投影坐標(biāo)和幀坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

因 為（x0，y0）為 中 心圓點，所 以 x0=0，y0=0，然 后 將（1）、（2）、（3）式聯(lián)立可得：

5 測量結(jié)果分析

基于ARM11平臺的Linux系統(tǒng)開發(fā)了塔吊監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將采集的視頻圖像數(shù)據(jù)通過S3C6410處理器處理之后輸出視頻數(shù)據(jù)以及吊鉤的高度信息。基于Linux系統(tǒng)開發(fā)了Qt上位機界面[9]。通過單目視覺測得的10組吊鉤高度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 吊鉤高度數(shù)據(jù)測量表

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著吊鉤的下放，也就是吊鉤越遠，測量的誤差率越高，這是因為攝像頭的軸線和被測目標(biāo)的平面發(fā)生了傾斜以及對吊鉤的識別度降低等因素造成的，所以該設(shè)計應(yīng)用在中低層建筑塔吊中效果較好，對駕駛員的操作起到一定的輔助作用。

雖然目前市場上的監(jiān)控設(shè)備較多，但是多是基于PC平臺，而且缺少圖像處理功能，智能化程度較低。同時它的體積較大，不方便攜帶，而且價格相對與ARM平臺要貴許多。本文提出的基于ARM11平臺的單目視覺塔吊監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合多特征信息融合和單目測距原理，實現(xiàn)了對塔吊吊鉤的監(jiān)控以及高度的實時測量，解決了駕駛員的視覺盲區(qū)問題，使駕駛員可隨時掌握吊鉤高度信息，增強了駕駛員作業(yè)的安全性，也提高了作業(yè)的效率。

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